纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)

摘要：隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，其損傷問題也逐漸受到重視。膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)作為一種廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的修補(bǔ)方式，其損傷檢測(cè)更是重要。傳統(tǒng)的破壞性手段不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)結(jié)構(gòu)本身造成二次損傷。因此，本文主要介紹了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；膠接修補(bǔ)；結(jié)構(gòu)損傷；無損檢測(cè)

一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展和社會(huì)迫切需求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種新型的材料，逐漸被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、建筑等多個(gè)領(lǐng)域中（HeidarzadehandYasaee,2021）。與傳統(tǒng)材料相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到人們的青睞。然而，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其損傷問題也逐漸引起人們的關(guān)注。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷不僅會(huì)影響其力學(xué)性能，而且可能導(dǎo)致其失效。因此，如何及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷，對(duì)維護(hù)其長(zhǎng)期可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)作為一種常見的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)方式，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域中（Kimetal.,2021）。其作用是通過粘結(jié)、加固、填補(bǔ)等方式，修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的損傷部分，使結(jié)構(gòu)得以繼續(xù)使用。然而，膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的損傷如何檢測(cè)，一直是人們關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)方法雖然能夠提供準(zhǔn)確的損傷信息，但其弊端也顯而易見：首先，其針對(duì)性較強(qiáng)，不同的損傷類型需要采用不同的檢測(cè)手段；其次，由于破壞性檢測(cè)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身造成損傷，會(huì)對(duì)后續(xù)處理造成不利影響。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，無損檢測(cè)技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)中。

本文旨在介紹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

二、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的損傷

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的損傷類型主要包括：

1、裂紋損傷：裂紋是指纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中出現(xiàn)的微小缺陷或裂紋，主要由于結(jié)構(gòu)在使用過程中承受了不同方向的應(yīng)力，引起了纖維與基體之間的剝離和斷裂（Wangetal.,2020）。

2、失效損傷：失效損傷常常是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部長(zhǎng)期受到應(yīng)力導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而導(dǎo)致的失效（Wangetal.,2020）。

3、脆性斷裂損傷：脆性斷裂損傷是指在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中出現(xiàn)的由于應(yīng)力效應(yīng)引起的全斷裂，此時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞是即刻的、不可逆的。

如何檢測(cè)這些損傷，成為了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級(jí)的關(guān)鍵。

三、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測(cè)方法

現(xiàn)有的無損檢測(cè)方法主要包括：超聲波檢測(cè)、紅外熱成像、X射線檢測(cè)、電磁波檢測(cè)和機(jī)械聲波檢測(cè)等（MuthuvelandSathishkumar,2019）。以下針對(duì)其中的幾種方法進(jìn)行介紹。

1、超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是指利用超聲波在不同的介質(zhì)中傳播的速度和反射特性，對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行檢測(cè)（Sheenetal.,2020）。與傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)方法相比，超聲波檢測(cè)具有非接觸、高效、快捷等優(yōu)點(diǎn)。然而，其缺點(diǎn)也顯而易見：首先，其檢測(cè)精度受結(jié)構(gòu)自身材質(zhì)和幾何形狀的影響較大；其次，其缺乏良好的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員進(jìn)行操作和分析。

2、紅外熱成像

紅外熱成像是利用紅外相機(jī)對(duì)物體發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行掃描，獲取物體表面的溫度分布情況，并對(duì)物體的缺陷或故障進(jìn)行檢測(cè)（Piyasenaetal.,2021）。與超聲波檢測(cè)相比，紅外熱成像具有非接觸、高效、直觀等優(yōu)點(diǎn)。然而，其缺點(diǎn)也顯而易見：首先，其檢測(cè)深度受物體熱傳導(dǎo)特性和表面狀態(tài)的影響較大；其次，其受環(huán)境溫度和濕度等因素的影響較大。

3、機(jī)械聲波檢測(cè)

機(jī)械聲波檢測(cè)是指利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的聲波傳播特性，對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)（Munizetal.,2020）。通過將聲波傳播的速度、衰減、衍射等特性與結(jié)構(gòu)中損傷的位置、大小等進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的準(zhǔn)確檢測(cè)。機(jī)械聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要任何復(fù)雜的設(shè)備，只需要簡(jiǎn)單的聲波發(fā)生器、接收器和分析軟件即可進(jìn)行。其缺點(diǎn)在于其受結(jié)構(gòu)材質(zhì)和幾何形狀的限制較大，檢測(cè)深度受聲波傳播特性的影響較大。

四、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著無損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其無損檢測(cè)技術(shù)也在不斷升級(jí)。未來其發(fā)展趨勢(shì)主要包括：

1、創(chuàng)新的檢測(cè)技術(shù)：現(xiàn)有的無損檢測(cè)技術(shù)雖然能夠滿足大部分檢測(cè)需求，但在特殊領(lǐng)域中仍存在不足。因此，未來需要采用更加先進(jìn)的技術(shù)手段，不斷創(chuàng)新纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)技術(shù)。

2、建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：現(xiàn)有的無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范缺乏，不利于技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。因此，未來需要建立一套符合行業(yè)規(guī)范和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3、結(jié)合智能化技術(shù)：智能化技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。未來的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)也需要結(jié)合智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的檢測(cè)，提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。

五、總結(jié)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)是保障其長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的重要手段?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)、紅外熱成像、機(jī)械聲波檢測(cè)等。雖然不同方法之間存在優(yōu)劣之分，但各有不同的適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高其檢測(cè)精度和效率，未來需要采用更加先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)、建立符合行業(yè)規(guī)范的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并結(jié)合智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化此外，未來還有以下方向需要進(jìn)一步研究和探索：

1、多模式的無損檢測(cè)：采用多模式的無損檢測(cè)技術(shù)能夠提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，為膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)提供更全面、更細(xì)致的信息。

2、機(jī)器學(xué)習(xí)與無損檢測(cè)的結(jié)合：機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，未來可以將機(jī)器學(xué)習(xí)與無損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和損傷的自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確判定。

3、低頻無損檢測(cè)技術(shù)的研究：傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)通常采用高頻方法，但在低頻領(lǐng)域中也存在許多有趣的現(xiàn)象和應(yīng)用前景，未來可以進(jìn)一步研究低頻無損檢測(cè)技術(shù)在膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

4、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)：無損檢測(cè)技術(shù)不僅可以用于對(duì)已存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，還可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，對(duì)材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

綜上所述，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)技術(shù)在未來的應(yīng)用前景非常廣闊，需要不斷深化研究和技術(shù)改進(jìn)，以更好地保障其安全、可靠運(yùn)行5、智能化無損檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)：隨著無損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來可以開發(fā)出智能化無損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)判定和自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)一步提高膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

6、無損檢測(cè)技術(shù)的可視化：為了更方便地觀察和評(píng)估無損檢測(cè)結(jié)果，未來可以探索無損檢測(cè)技術(shù)的可視化方法，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，讓檢測(cè)結(jié)果以圖像和視頻形式呈現(xiàn)，更直觀、更易懂。

7、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和共享：為了提高無損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用水平，未來可以探索建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和共享平臺(tái)，讓不同機(jī)構(gòu)的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行共享和比對(duì)，從而更好地發(fā)現(xiàn)膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的問題和隱患。

8、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展：雖然本文主要討論了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)技術(shù)，但無損檢測(cè)技術(shù)在許多其他材料和結(jié)構(gòu)上也有廣泛的應(yīng)用，未來可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，提高技術(shù)的普適性和適用性。

總之，無損檢測(cè)技術(shù)作為材料工程領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)于確保膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有非常重要的意義。未來需要繼續(xù)深入研究和改進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)，不斷提高其精度和效率，為實(shí)際工程應(yīng)用提供可靠的檢測(cè)技術(shù)支持9、結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行無損檢測(cè)：隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，未來可以探索將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于無損檢測(cè)中。通過對(duì)大量的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，可以讓機(jī)器具備判定膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)是否存在缺陷的能力，并能夠自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)告和預(yù)警。

10、三維無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展：與傳統(tǒng)的二維無損檢測(cè)技術(shù)相比，三維無損檢測(cè)技術(shù)能夠更準(zhǔn)確地反映膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷情況，未來可以探索將三維無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠性。

11、開展多種無損檢測(cè)方法的組合應(yīng)用：不同的無損檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，未來可以探索將多種無損檢測(cè)方法進(jìn)行組合應(yīng)用，充分利用各種方法的優(yōu)點(diǎn)，提高檢測(cè)的精度和效率。

12、不斷完善無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：無損檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于保證檢測(cè)的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，未來需要通過不斷完善和更新標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保無損檢測(cè)技術(shù)能夠符合實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

13、開展無損檢測(cè)技術(shù)的國(guó)際合作：無損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用具有國(guó)際性，在國(guó)際合作方面還有很大的發(fā)展空間。未來可以加強(qiáng)與國(guó)際先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)機(jī)構(gòu)的交流和合作，共同推動(dòng)無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

14、注重?zé)o損檢測(cè)技術(shù)的人才培養(yǎng)：無損檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)高精尖的技術(shù)，對(duì)于人才的要求也非常高。未來需要注重?zé)o損檢測(cè)技術(shù)的人才培養(yǎng)，引進(jìn)和培養(yǎng)更多的無損檢測(cè)技術(shù)人才，推動(dòng)無損檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

總之，未來的無損檢測(cè)技術(shù)需要不斷地探索和發(fā)展，才能更好地